含水率和溫度對(duì)煙絲破碎規(guī)律的影響

王瑞珍，李春光，孫 覓，李全勝，田斌強(qiáng)，姬會(huì)福，王歡歡，武云杰

（1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450016；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002）

隨著卷煙加工工藝的不斷發(fā)展，煙絲的結(jié)構(gòu)和填充能力得到顯著提高，卷煙單支重量和煙支密度明顯降低，煙絲結(jié)構(gòu)特征在加工工藝中的重要性得到較大關(guān)注［1，2］。煙絲的空間結(jié)構(gòu)包括厚度、長度和寬度3 個(gè)層面。研究表明，煙絲的厚度與原煙有直接關(guān)系，與煙葉抗破碎指數(shù)呈顯著正相關(guān)［3］。而煙絲的長度尺寸分布，即常說的煙絲結(jié)構(gòu)，更易受到外力的作用而斷裂造成破碎［4］。此外，煙絲過窄時(shí)易增加造碎率，過寬時(shí)則會(huì)導(dǎo)致卷煙的香氣透發(fā)性減弱［5，6］。研究發(fā)現(xiàn)，煙絲在加工過程中會(huì)受到不同的外力作用而逐漸破碎，一方面煙絲造碎提升，原料利用率降低［7，8］，另一方面，煙絲結(jié)構(gòu)改變規(guī)律存在差異［9，10］，而不同規(guī)格卷煙所需的煙絲結(jié)構(gòu)也存在較大差異［11，12］。因此，控制好煙絲的破碎規(guī)律，是改善煙絲結(jié)構(gòu)、提高卷煙產(chǎn)品穩(wěn)定的有效途徑［13］。

煙絲含水率和溫度與煙絲的耐加工特性密切相關(guān)，環(huán)境溫度越高、濕度越大，吸濕性和保濕性越強(qiáng)，煙葉的破碎程度越低；反之煙葉越容易破碎［14］。在制絲與卷接的不同階段，為了達(dá)到一定的工藝，加強(qiáng)煙絲水分和溫度的控制是工藝控制的關(guān)鍵［15-17］。但關(guān)于不同尺寸特征的煙絲破碎規(guī)律對(duì)煙絲含水率和溫度的響應(yīng)尚不明確。本研究通過研究煙絲含水率和溫度對(duì)不同結(jié)構(gòu)特征和寬度的煙絲破碎規(guī)律的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)、降低煙絲造碎、提升卷煙均質(zhì)化加工水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)材料為2019 年四川攀枝花C3F 片煙。

儀器設(shè)備包括ZD-T 25 型煙絲篩分儀（德國Haver & Boecker 公司）、PL203 電子天平（感量0.001 g，瑞士Mettle Toledo 公司）、YQ-32 碎絲機(jī)（鄭州煙草研究院）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將片煙分別制成1.0 mm 寬度煙絲（S1）和0.8 mm寬度煙絲（S3），再分別將一部分煙絲通過斷絲設(shè)備制出1.0 mm 寬度斷絲的煙絲（S2）和0.8 mm 寬度斷絲的煙絲（S4）。將4 個(gè)煙絲樣品分別置于恒溫恒濕箱中平衡48 h，溫度（22±1）℃，至煙絲含水率為10%±0.2%、12%±0.2%、14%±0.2%、16%±0.2%和18%±0.2%，制成不同煙絲含水率的樣品，將煙絲分成小份，裝入密封袋備用。另將4 個(gè)煙絲樣品分別置于恒溫恒濕箱中平衡48 h，溫度（22±1）℃，相對(duì)濕度60%+3%，平衡后將煙絲分成小份，裝入密封袋，調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱溫度分別設(shè)定為25、30、35、40、45 ℃。將平衡后的煙絲分別通過碎絲機(jī)，將破碎后的煙絲按照溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度60%+3%條件平衡48 h，用ZD-T 25 型煙絲篩分儀測試煙絲結(jié)構(gòu)，篩網(wǎng)孔徑分別為7.10、4.50、3.35、2.00、1.25、1.00 mm。

1.3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)各尺寸篩網(wǎng)上煙絲質(zhì)量，計(jì)算各尺寸區(qū)間的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)，參照國家標(biāo)準(zhǔn)YC/T 351—2010《卷制過程煙絲破碎度的測定》中的方法分析煙絲結(jié)構(gòu)分布情況，計(jì)算煙絲特征尺寸及破碎度，進(jìn)而計(jì)算各尺寸區(qū)間質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化率。

式中，F(xiàn)m為特定尺寸區(qū)間的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率，dm為破碎后特定尺寸區(qū)間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，d0為破碎前特定尺寸區(qū)間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2016 和SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖1 可知，含水率對(duì)S1 破碎后煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，主要表現(xiàn)為破碎后＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，10%煙絲含水率的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)由破碎前的46.98%降低到僅有3.93%，隨著煙絲含水率的增加，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，并在煙絲含水率14%以后趨于穩(wěn)定。以處理前的煙絲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，計(jì)算尺寸區(qū)間質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率，結(jié)果表明，10%的煙絲含水率條件＞7.10 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率表現(xiàn)為負(fù)值，降幅達(dá)91.64%。4.50～7.10 mm 和3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲含水率的增加而升高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率也有相同的趨勢。2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm 和1.00～1.25 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)與破碎前相比均增加，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均隨著煙絲含水率的增加而降低。＜1.00 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率隨著煙絲含水率的增加逐漸下降。

圖1 含水率對(duì)S1 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖2 可知，S2 的煙絲結(jié)構(gòu)與S1 相比，主要是煙絲尺寸整體降低，煙絲含水率對(duì)破碎后S2 的煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，主要表現(xiàn)為＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯下降，其中10%煙絲含水率的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.43%，隨著煙絲含水率的增加，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。4.50～7.10 mm 和3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著煙絲含水率的增加而增加。2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm 和＜1.00 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲含水率的升高而降低，其中＜1.00mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%和12%煙絲含水率條件下與破碎前相比分別增加了105.84%和104.18%。

圖2 含水率對(duì)S2 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖3 可知，含水率對(duì)S3 的煙絲結(jié)構(gòu)影響為10%煙絲含水率＞7.10 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與破碎前相比降低了29.46 個(gè)百分點(diǎn)。4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為隨著煙絲含水率的升高而上升。3.35～4.50 mm 和2.00～3.35 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為隨著煙絲含水率的升高先升高后降低，1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲含水率的升高表現(xiàn)為先降低后升高，拐點(diǎn)在煙絲含水率16%。說明煙絲含水率升高后煙絲的造碎降低，但達(dá)到一定水平后，煙葉的抗破碎能力逐漸降低，造碎升高。

圖3 含水率對(duì)S3 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖4 可知，含水率對(duì)S4 的煙絲結(jié)構(gòu)影響為10%煙絲含水率＞7.10 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與破碎前相比降低了21.50 個(gè)百分點(diǎn)，4 個(gè)處理的平均降幅為75.03%。4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為隨著煙絲含水率的升高而上升，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率在煙絲含水率10%、12%和18%表現(xiàn)為下降，說明較低的煙絲含水率對(duì)＞4.50 mm 的煙絲影響明顯。隨著煙絲含水率的升高，3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高，2.00～3.35 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降。1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后升高，均在煙絲含水率16%時(shí)最低。

圖4 含水率對(duì)S4 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

2.2 含水率對(duì)煙絲特征尺寸和破碎度的影響

參照國家標(biāo)準(zhǔn)YC/T 351—2010《卷制過程煙絲破碎度的測定》中的方法，用煙絲破碎過程的特性方程計(jì)算得到特征尺寸和破碎度。由圖5 可知，破碎后煙絲的特征尺寸明顯下降，均在10%煙絲含水率條件下最低，此時(shí)S1 至S4 的特征尺寸分別為3.28、2.79、3.11、2.80 mm。隨著煙絲含水率的升高，S1 和S2 的煙絲特征尺寸逐漸升高，S3 和S4 的煙絲特征尺寸則在16%煙絲含水率時(shí)最高，18%煙絲含水率時(shí)略有下降，此時(shí)S1 至S4 的特征尺寸分別為4.30、3.64、4.00、3.37 mm。與此對(duì)應(yīng)的煙絲破碎度隨著煙絲含水率的升高不斷下降，與特征尺寸的規(guī)律相反，整體表現(xiàn)為S1 最高，18%的煙絲含水率條件與10%相比，S1 至S4 的破碎度分別降低了18.87、20.47、19.67、14.56 個(gè)百分點(diǎn)。

圖5 含水率對(duì)煙絲特征尺寸和破碎度的影響

2.3 溫度對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖6 可知，溫度對(duì)S1 的煙絲結(jié)構(gòu)影響為，隨著煙絲溫度的升高質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高，25 ℃時(shí)＞7.10 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與破碎前相比降低了36.10 個(gè)百分點(diǎn)。4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲溫度的升高而升高，3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲溫度的升高呈先升后降的趨勢，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率相對(duì)穩(wěn)定。2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著煙絲溫度的升高而降低。

圖6 溫度對(duì)S1 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖7 可知，溫度對(duì)S2 破碎后的影響為隨著煙絲溫度的升高，＞7.10 mm、4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高，3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢下降，其中25 ℃時(shí)，＞7.10 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與處理前相比降低最多，降低了22.31個(gè)百分點(diǎn)，4.50～7.10 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率表現(xiàn)在25 ℃和30 ℃為負(fù)值。隨著煙絲溫度的升高，2.00～3.35 mm 和1.25～2.00 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為先升高后降低，1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為逐漸降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率也呈降低趨勢。

圖7 溫度對(duì)S2 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖8可知，溫度對(duì)S3破碎后的影響為＞7.10 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25 ℃時(shí)降低最多，降低了21.80 個(gè)百分點(diǎn)，與4.50～7.10 mm 和3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律一致，均隨著煙絲溫度的升高而不斷升高。2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲溫度的升高而不斷降低，而1.00～1.25 mm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲溫度的升高整體呈下降趨勢，30、35、40 ℃相差不大。

圖8 溫度對(duì)S3 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

由圖9 可知，溫度對(duì)S4 破碎后的影響為破碎后＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著煙絲溫度的升高而不斷升高。與破碎前相比，25 ℃時(shí)＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了19.35 個(gè)百分點(diǎn)，4.50～7.10 mm 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 變 化 率 表 現(xiàn) 在25、30、35 ℃為負(fù)值，表現(xiàn)為下降。隨著煙絲溫度的升高，3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為先升高后降低，2.00～3.35 mm表現(xiàn)為先降低后升高，1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為逐漸降低，但1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率整體較高，說明煙絲溫度增加時(shí)＜1.25 mm 尺寸的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅減少。

圖9 溫度對(duì)S4 規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響

2.4 溫度對(duì)煙絲特征尺寸和破碎度的影響

由圖10 可知，破碎后煙絲的特征尺寸明顯下降，均在25 ℃條件下最低，此時(shí)S1 至S4 的特征尺寸分別為3.67、3.02、3.55、2.95 mm。隨著煙絲溫度的升高，所有樣品的煙絲特征尺寸均逐漸升高，45 ℃時(shí)S1 至S4 的 特 征 尺 寸 分 別 為4.16、3.35、3.88、3.33 mm。煙絲的破碎度隨著煙絲溫度的升高不斷下降，與特征尺寸的規(guī)律相反，45 ℃與25 ℃相比，S1至S4 的破碎度分別降低了9.10、8.20、7.93、9.66 個(gè)百分點(diǎn)。

圖10 溫度對(duì)煙絲特征尺寸和破碎度的影響

2.5 含水率和溫度與煙絲特征尺寸和破碎度的關(guān)系

分別以煙絲含水率和溫度為自變量，特征尺寸和破碎度為因變量進(jìn)行擬合（表1、表2），根據(jù)該方程的特點(diǎn)，說明在本研究的煙絲含水率和溫度范圍內(nèi)，特征尺寸均隨著煙絲含水率或溫度的升高表現(xiàn)為上升趨勢，破碎度表現(xiàn)為逐漸降低趨勢，基本呈線性分布，但在不同煙絲含水率或溫度條件下曲線的斜率不同，也說明不同規(guī)格的煙絲破碎規(guī)律對(duì)煙絲含水率和溫度的響應(yīng)存在差異。

表1 煙絲含水率與煙絲特征尺寸和破碎度的關(guān)系

表2 煙絲溫度與煙絲特征尺寸和破碎度的關(guān)系

3 討論

研究表明煙絲含水率和溫度對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響顯著。10%煙絲含水率的煙絲在破碎后＞4.50 mm的尺寸較長的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，特別是＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均為負(fù)值，4 個(gè)規(guī)格的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均降低了30.20 個(gè)百分點(diǎn)，說明＞4.50 mm 等較長尺寸的煙絲最易破碎而引起結(jié)構(gòu)改變［18］。在10%和12%煙絲含水率條件下，4 個(gè)處理1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，隨著煙絲含水率的升高，煙絲的特征尺寸整體呈上升趨勢，破碎度下降，說明煙絲含水率過低時(shí)煙絲造碎嚴(yán)重，增加煙絲含水率可以減少煙絲的造碎［17］。

隨著煙絲溫度的升高特征尺寸逐漸增大，S1 和S2 的特征尺寸在煙絲含水率18%時(shí)最高，分別為4.30 mm 和3.64 mm，S3 和S4 的特征尺寸在16%煙絲含水率時(shí)最高，分別為4.01 mm 和3.38 mm，在煙絲含水率為18%時(shí)略有降低。有研究表明，煙絲含水率過大時(shí)，煙葉的抗破碎性反而降低［18］，不同等級(jí)煙葉達(dá)到最適宜的耐加工性能，所需的煙絲含水率存在差異［19］，這可能是煙絲含水率達(dá)18%時(shí)，煙絲特征尺寸不再升高甚至下降的原因。此外，S3、S4分別與S1、S2 相比，煙絲寬度變窄了，其破碎后表現(xiàn)為＞7.10 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，而＜3.35 mm的煙絲比例均升高，說明較窄的煙絲加工時(shí)容易破碎［20，21］。因此，對(duì)于寬度較窄的煙絲，加工時(shí)更應(yīng)注重?zé)熃z含水率的控制，不能過低也不能過高。

本研究表明，與其他溫度處理相比，25 ℃的煙絲破碎后煙絲特征尺寸最低，其中S1 至S4 比破碎前分別降低了1.76、1.12、1.02、1.00 mm。煙絲的破碎度隨著煙絲溫度的升高而降低，這與趙亮等［22］的研究規(guī)律一致。從煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其變化率來看，＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率降低，特別是在25 ℃和30 ℃下為負(fù)值，說明煙絲溫度較低時(shí)促進(jìn)了4.50 mm 以上較長尺寸的煙絲破碎，這與較低煙絲含水率下煙絲的破碎表現(xiàn)一致。因此，較低的煙絲含水率和溫度，容易引起長絲的破碎和煙絲的造碎［17］。不同處理之間，煙絲特征尺寸整體表現(xiàn)為S1＞S3＞S2＞S4，但破碎度表現(xiàn)為S1＞S2＞S4＞S3，并沒有表現(xiàn)為較窄的煙絲破碎率較高，這是因?yàn)槠扑槎仁腔谄扑榍暗臒熃z結(jié)構(gòu)計(jì)算所得，說明加工前的煙絲結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)煙絲的破碎規(guī)律也有較大影響。

申曉鋒［23］研究表明，適當(dāng)增加3.35～4.00 mm 的中長絲和1.00～2.50 mm 的短絲比例，短支卷煙的物理質(zhì)量明顯提升。張小宏等［24］研究表明，為了保證卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定性，煙絲長度一般在2.50～4.90 mm。本研究表明，隨著煙絲含水率的增加，破碎后S1、S2和S4 的3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，S3 呈先升高后降低的趨勢；隨著煙絲溫度升高，S3 的3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，S1 和S4 為先升高后降低，S2 緩慢降低。對(duì)于2.00～3.35 mm 的煙絲，隨著煙絲含水率的升高均整體表現(xiàn)為降低，S2 隨著煙絲溫度的升高表現(xiàn)為先升高后降低。說明不同尺寸和寬度的煙絲破碎規(guī)律對(duì)煙絲含水率和溫度的響應(yīng)不同，在明確影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的調(diào)控是改善煙絲結(jié)構(gòu)和卷煙卷制質(zhì)量的有效途徑。如40 mm定長切絲工藝［25］、煙絲結(jié)構(gòu)柔性調(diào)控技術(shù)等［26］，都是在特定的溫濕度條件下實(shí)施的。在煙絲加工過程中其結(jié)構(gòu)及破碎程度是不斷變化的，而且對(duì)于不同的加工環(huán)節(jié)其溫濕度條件差異較大，應(yīng)根據(jù)工藝需求和設(shè)備加工特點(diǎn)，充分結(jié)合煙絲寬度、結(jié)構(gòu)、耐加工特性等因素，在明確煙絲含水率和溫度對(duì)煙絲破碎規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控。

4 小結(jié)

含水率和溫度對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響顯著，與煙絲特征尺寸和破碎度呈線性關(guān)系。較低的煙絲含水率或溫度均促進(jìn)了＞7.10 mm 和部分處理＞4.50 mm等較長絲的破碎，造成了＜1.25 mm 等較短尺寸煙絲的積累。一定范圍內(nèi)，隨著煙絲水分和溫度的升高，煙絲的特征尺寸增大、破碎度降低，但過高的煙絲含水率使較窄寬度煙絲破碎度提高、特征尺寸減小。不同規(guī)格的煙絲破碎規(guī)律對(duì)含水率和溫度變化的響應(yīng)存在差異，主要表現(xiàn)在2.00～3.35 mm 和3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)上，這與煙絲的長度結(jié)構(gòu)和寬度有關(guān)，需要在明確煙絲含水率和溫度對(duì)煙絲破碎規(guī)律的基礎(chǔ)上開展煙絲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。